Тестирование блоков питания: аспекты и аппаратная реализация (страница 2)
реклама
Кроме коммутации и возможности создания испытательных помех, блок сети должен индицировать ток потребления. При работе блока питания через эмулятор сети необходимость в дополнительном датчике тока не возникает, прецизионный измерительный механизм заложен в самом эмуляторе сети. А что делать, когда БП работает не через эмулятор? Для измерения тока был изготовлен токовый трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1000 с двойным статическим и одним магнитным экраном. Экранирование призвано снизить прохождение нестабильностей (импульсов) напряжения из сети в токовую обмотку.
Измерение показало хорошее подавление помех и сохранение коэффициента трансформации до 100 кГц в частотном диапазоне и до 100 ампер по амплитуде импульсов тока низкой частоты. Насыщение датчика тока наступает при уровнях тока 200-250 ампер, что обеспечивает должный запас к расчетному максимальному току потребления БП (50-65 А).
Из основных элементов контроллера сети остается лишь отметить установку конденсаторного блока на вводе сети для снижения влияния реактивных составляющих проводки как на процесс переключения, так и на стационарную работу БП. Кроме защиты БП это снижает уровень помех, наводимых тестовым стендом в сеть 220 вольт. Блок набран из конденсаторов, рассчитанных на работу в полосе частот 0-1 МГц с большим импульсным током (metallized polypropylene). Суммарная емкость блока 6 мкФ позволяет подавлять высокочастотную составляющую, при этом сохраняя неизменным импеданс сети в низкочастотной части спектра.
Внешний вид блока:
реклама
Позволил себе вольность обозначить некоторые элементы устройства:
1. Устройство защиты, стоит на самом вводе сети. Номинальный ток защиты 10 А, класс быстродействия «С»;
2. Входной конденсаторный блок, 6 мкФ. Набран из восьми конденсаторов;
3. Синфазный дроссель и согласующие элементы;
4. Блок накопительного конденсатора импульсного генератора;
5. Импульсный генератор;
6. Служебный источник для питания управляющих узлов;
7. Датчик тока (в экране);
8. Радиатор с ключами переключения сети.
Можно посмотреть с другого ракурса:
В начале проектирования блок выглядел гораздо опрятнее, но постоянные «заплатки» сделали свое черное дело.
Тестовый стенд
Блок нагрузок и эмулятор сети, совместно с контроллером сети, описанным в предыдущем разделе, позволяют выполнять испытание блока питания, но существует целый ряд условий, которые обязательны к исполнению для получения адекватных результатов.
реклама
Во-первых, блок питания требуется как-то закрепить. Штатное место крепления БП довольно точно отражено в корпусе, можно лишь выбрать его верхнее или нижнее размещение. Существуют и «другие» варианты установки БП, но это скорее экзотика. Использованный корпус системного блока предполагает размещение блока питания вверху – так даже лучше, проще обеспечить необходимые тепловые режимы. Место крепления важно не из эстетических условий, а для обеспечения типичного качества прохождения цепи «земля».
Во-вторых, блок питания надо как-то подключить. Классический вариант подключения здесь также четко определен – материнская плата формата АТХ с одной (несколькими) видеокартами PCI Express. Придется делать именно так, хотя сами «видеокарты» можно заменить на соответствующие заглушки-переходники. В нашем случае интерес представляет распределение токов, а не перемещение воздушных масс, поэтому габариты и эмуляцию систем охлаждения видеокарт выдерживать нет нужды.
Впрочем, без выяснения причин затруднительно выполнить правильное подключение. И идея вот в чем – блок питания является многоканальным источником, что означает обязательную тесную взаимосвязь уровней при нагрузке отдельных выходов. Типичная нагрузочная кривая при увеличении тока по цепи 5В:
Графики:
- Зеленый (вверху): 12 В;
- Красный (в середине): 5 В;
- Светло-коричневый (внизу): 3.3 В.
На картинке представлены данные блока питания с групповой стабилизацией, поэтому вполне очевидно повышение напряжения на выходе 12В по мере увеличения тока 5В. Вопрос в другом, почему снижается напряжение 3.3В? Этот выход охвачен собственной локальной обратной связью и стабилизируется достаточно точно. Во время нагрузочного теста ток менялся только по выходу 5В и, вообще говоря, выход 3.3В, вне зависимости от качества стабилизации, изменяться не мог. Выходы 12В и 5В связаны общей цепью стабилизации, поэтому правило неизменности уровня не касается выхода 12В.
Возвращаюсь к главному вопросу - почему изменяется напряжение на выходе 3.3В, если этого быть не должно? Попробую скромно предположить, что существует некоторая общность во всех выходах БП, которая их объединяет. Позвольте процитировать начало одного из пунктов EPS:
6.3 Remote Sense
The power supply may have remote sense for the +3.3V (3.3VS) and return (ReturnS) if the Optional Server Signal connector is implemented. The remote sense return (ReturnS) is used to regulate out ground drops for all output voltages; +3.3V, +5 V, +12V1, +12V2, +12V3, -12 V, and 5 VSB. The 3.3V remote sense (3.3VS) is used to regulate out drops in the system for the +3.3 V output. The remote sense input impedance to the power supply must be greater than 200 W on 3.3 VS and ReturnS. ...
Многоканальный источник питания, особенно импульсный, ни в коем случае нельзя рассматривать как множество независимых каналов. В них существует сложная взаимная связь, причем это касается как «сигнальных» выходов, так и уровня «земли». Сопоставьте токи и сопротивление проводов. Если измерять каждый выход индивидуальным образом, фактически подключаясь к контрольным точкам выпрямительной части БП, то можно получить очень неплохие характеристики. Но будут ли они верными? Нет, конечно.
Блок питания формирует несколько напряжений одновременно и каждый выход влияет на все остальные. Как выходят из этой проблемы? Для подключения блока питания к тестовому стенду используется одна кросс-плата, в которую подключаются все выходные кабели БП, после чего «получается» усредненные цепи 12В, 5В, 3.3В с общей «землей». Правильно? Нет, конечно. Пройдемся по основным соединениям:
- 12 В, процессор. Напряжение подается через собственный разъем, цепи 12В и gnd идут непосредственно на рядом расположенный преобразователь процессора. Цепь gnd не затекает в общую землю;
- 12 В, 5 В, 3.3 В, материнская плата. Напряжения питания и gnd подаются через разъем материнской платы, при этом ток нагрузки распределен по площади платы и ток земли протекает как от выводов gnd разъема, так с корпуса системного блока через монтажные точки материнской платы;
- 12 В, видеокарты. Напряжение 12 В и gnd подаются через собственные разъемы и кратчайшими соединениями уходят в силовой преобразователь платы. Цепь gnd не затекает в общую землю.
Вообще-то, для компьютера важно не сам уровень напряжения, а только та величина, которая приходит на «его» преобразователь. Из устройств и узлов лишь два типа механизмов используют непосредственное напряжение 12В, это вентиляторы и мотор жесткого диска. Довольно сложно оценить меру важности стабильности цепи 12В на качество их работы, ведь эти устройства имеют локальные цепи стабилизации. Для вентиляторов это общая стабилизация температуры схемой мониторинга, а в HDD применяется ШИМ стабилизация оборотов по сервометкам. Во всех других случаях устройства (и узлы) хоть и имеют питание от 12 В, но используют его только через преобразователи - а им свойственно разделение «земли» на «входную» и «выходную».
Такой прием используется для отделения «грязной» (входной) и «чистой» (выходной) земли. С точки зрения «схемы» преобразователь часто изображают прямоугольником с тремя выводами - вход, выход, земля, но конструктивно он обязательно выполняется по четырехвыводной топологии - два вывода «вход», два вывода «выход». Ну а то, что в обоих парах «землей» является один и тот же проводник ничего не значит - ее надо разводить независимо, входная земля не должна пересекаться с выходной. В этом и состоит одна из основных трудностей импульсных преобразователей.
Итак, «все непросто» с одним преобразователем, а когда их несколько? Причем, входные «земли» у них частично объединяются, как и выходные. Соединение именно «частичное» и трудно контролируемое на стадии проектирования, что усложняет и так непростую задачу. Компьютерный блок питания должен поставлять напряжение на преобразователи, а, в основном, это касается цепи 12В. Но что при этом будет происходить с цепью «земля»? Нечто сложноэмулируемое. Не учитывать вред ухода уровня «земли» нельзя, потребление может составлять десятки ампер и даже мизерный кусочек толстого провода может создать существенное падение напряжения. Эмулировать землю не получится в виду слишком сложных взаимосвязей, но может существует возможность избежать этого?
В компьютере существует материнская плата, на которой расположен преобразователь процессора, устанавливаются видеокарты - что мешает взять и собрать такой тестовый стенд? Берем обычную качественную материнскую плату. «Фирменность» нужна для гарантии адекватной толщины и количества меди во внутренних слоях по цепи земля. Снимаем с нее все, оставив лишь ее основной и разъем питания CPU. Теперь остается посадить на нее один «преобразователь процессора» и несколько «видеокарт». Первое означает простой разъем на своем законном месте, а с «видеокартами» дело обстоит несколько сложнее - понятно, что следует установить разъемы подключения питания PCI Express в те места материнской платы, где эти видеокарты устанавливаются.
реклама
Трудность в том, что питание на видеокарты подается через персональные разъемы, но это вовсе не исключает затекание тока земли через разъем PCI Express материнской платы. «По счастью» этот разъем, как и все не силовые, ориентирован на стабильное сочленение слаботочных сигналов, а потому имеет относительно высокое контактное сопротивление. Это «сопротивление» следует эмулировать при сборке тестового стенда, что проще всего выполнить соединением разъема подключения питания PCI Express с «землей» материнской платы с помощью проводников небольшого сечения.
Расчетно-измерительную часть по определению длины и сечения проводников я опускаю за ненадобностью. Здесь вроде ясно, остается лишь определить точки измерения напряжения. Позволю высказать надежду, что вы понимаете - общей цепи «земля» в компьютере не существует. Из-за встроенных сопротивлений проводки точки земли в различных частях материнской платы будут различаться (и существенно). Это означает, что никак не выйдет «ткнуть» один вывод измерительного прибора в какую-нибудь точку земли и далее просто обойти все напряжения. В системе существуют относительно независимые узлы с питанием от выходов блока питания, вот напряжения непосредственно на них и следует измерять.
- 12 В, процессор. Напряжение-земля измеряется непосредственно на разъеме;
- 5 В, 3.3 В, материнская плата. Напряжения питания и земли измеряются непосредственно на разъеме материнской платы;
- 12 В, видеокарты. Напряжение-земля измеряется непосредственно на разъеме.
EPS настаивает на установке сглаживающих конденсаторов по каждой измерительной цепи, что было исполнено. В месте подключения точек измерения, рядом с разъемам, установлено по одному конденсатору 220 мкФ 50 В с низким внутренним сопротивлением (40 мОм). Установка конденсатора на 50 В вместо допустимых 16 В при сохранении номинальной емкости вызвана его меньшим внутренним сопротивлением. Если не замечали, то прослеживается достаточно четкая взаимосвязь - конденсаторы одинакового геометрического размера при примерно схожем рабочем напряжении, имеют одинаковое внутреннее сопротивление.
Это означает, что установка 220 мкФ 50 В эквивалентна 820 мкФ на 16 В по сопротивлению потерь, но во втором случае суммарная емкость конденсаторов цепи выше, и это уже плохо. Импульсный блок питания обязан быстро включаться, что означает повышенную чувствительность к полной емкости конденсаторов цепей нагрузки. Кроме того, современные преобразователи очень редко используют конденсаторы существенной величины - последствия перехода на SMD технологию с «твердотельными» конденсаторами.
Если со способом подключения тестируемого блока питания все понятно, то еще более понятно его размещение и способ крепления. Обычный корпус системного блока изготавливается из металла. Даже такой «плохой» проводник электричества, как железный корпус, имеет меньшее сопротивление, чем медные провода земли в кабелях подключения блока питания. Если БП не поставить на его законное место с надежным электрическим соединением, то о корректном измерении характеристик лучше забыть сразу. Что означает - тестовый блок питания следует устанавливать туда, где он и должен быть, с закручиванием всех четырех крепежных винтов. Вопрос правильности подключения является одним из важнейших в технологии тестирования блоков питания и после его обсуждения можно перейти к вспомогательным особенностям стенда.
Методика испытаний обязывает к применению не только обычного «нагрузочного» оборудования, но ряда специализированного. Для этого стенд оборудован генератором помех в блоке управления сетевым питанием и «замыкатель» цепей 12В и 5В на землю в плате подключения. Блок питания обязан иметь защиту от перегрузки и короткого замыкания и это свойство необходимо проверять. По вопросу перегрузки в требованиях EPS указано лишь, что БП должен отключаться при превышении тока выше 110-150%. Если блок питания содержит групповую стабилизацию (иными словами, не имеет раздельную стабилизацию и защиту по каналам 12В и 5В), то «мощностные» характеристики канала 5В часто совпадают или превышают канал 12В.
Возьмем типичный блок питания бюджетного ценового диапазона - 400 Вт, из которых 250 Вт по 12В и 200 Вт по 5В. Требования по «240ВА» не распространяется на канал 5В, что «позволяет» блоку питания «тормозить телом» при превышении тока нагрузки (точнее мощности). Т.е., такой БП очень спокойно может выдать более 500 Вт по каналу 5В, что подразумевает уровни тока выше 100 ампер до тех пор, пока не сработает общая защита БП по мощности и он отключится. «Общая защита» блока питания отличается медлительностью, да она и не может быть быстродействующей - иначе БП будет самопроизвольно отключаться при бросках тока в переходных процессах.
Теперь разберемся, много ли это «100 ампер»? Сейчас скорее редкость, а ранее типичным способом подключения периферии внутри системного блока являлось использование переходников и удлинителей. Как правило, «фирменных» среди них было не много - дешевая продукция серьезные фирмы не интересует. Что до «китайской» продукции, то наличие в переходниках достаточно толстых проводников является скорее нонсенсом. Замер потерь в нескольких экземплярах подобной продукции показал среднее сопротивление 26 мОм. При добавлении сопротивления проводов кабеля питания периферии БП и пары разъемов общее сопротивление цепи возрастет до цифры порядка 50 мОм. Если БП может обеспечить 100 ампер по цепи 5В, то короткое замыкание на 50 мОм будет для такого источника вполне рабочим режимом (5/0.05=100) и отключение БП не произойдет.
При проведении логических расчетов я не оценивал сопротивление потерь в точке короткого замыкания, а оно очень далеко от нулевого - коль скоро в этом месте выделяется огромная энергия, то на нем должно падать достаточно много напряжения. Эффект сварки. Поэтому в представленных расчетах скорее следует подставлять «больше 50 мОм». Итак, БП мог бы не отключиться, и, знаете, в Конференции отмечаются подобные случаи. Впрочем, даже если БП и отключится, фактор времени прекращения подачи энергии не менее важен. Нагрев проводников и элементов на плате, проводниках - все это пропорционально выделяемой мощности на них с учетом тепловой инерции. Если ток высокий (см. выше, 100 ампер вовсе не уникальная цифра), а размеры элементов/трасс не большие, то и «незначительная» задержка отключения приведет к крайне неприятным последствиям.
Рекомендации EPS вообще никак не описывают условия испытаний на короткое замыкание. Подразумевается, что «перегрузка по току» эквивалентна «короткому замыканию». Имея общие корни, это разные режимы. Перед перегрузкой, как правило, следует повышенное потребление и ситуация, когда на слабозагруженном БП внезапно возникает ток потребления крайне высокой величины практически исключены. Это можно оценить хотя бы по тому, что в условиях тестирования EPS указана максимальная скорость нарастания тока. Режим «короткое замыкание» может наступить при любой мощности нагрузки БП и скорость повышения тока ничем не ограничена. Само замыкание может произойти между любыми цепями, в том числе и 12В - 5В, но чаще всего оно состоит в замыкании 12В или 5В на землю.
Источником проблемы обычно выступает или свободно висящий разъем кабеля питания периферии или сгорание элемента преобразователя на материнской плате или периферийном устройстве. Довольно часта ситуация, когда при коротком замыкании 12 или 5 вольт на землю блок питания выключается, что нормально, но повторное включение компьютера или становится невозможным или сопровождается дымом и вонью. При этом часто выходит из строя подключенный HDD – потому, что это единственное устройство в системе, которое имеет встроенную защиту от перенапряжений по цепям 12В и 5В. Выход из строя HDD говорит о том, что в момент короткого замыкания произошло резкое и значительное повышение напряжений.
Именно резкое и значительное - suppressor может поглотить довольно мощный импульс, для этой цели он спроектирован. Если произошло его разрушение, значит энергия повышенного напряжения была слишком большой. Современные жесткие диски стоят не особо дешево, да и обидно потерять данные, находящиеся на них. Причем, системы резервирования RAID1 (5 и другие) и вывод дисков из системы могут оказаться бесполезными - импульс перенапряжения воздействует на все подключенные диски. Стоимость данных обычно превышает денежные расходы на дисковое хранилище, поэтому «дешевый» блок питания может обернуться не самым выгодным приобретением. Случайное короткое замыкание или сгорание ключа в преобразователе - событие не частое, но никто от него не застрахован. Поэтому методика испытаний БП включает отдельный тест такого типа.
Для его выполнения установлены два ключа, по одному на замыкание цепи 12В и 5В. Это позволит эмулировать наиболее вероятные варианты короткого замыкания. Монтаж и прокладка цепей выполняется из условий прохождения высокого тока (100-200 А) с внесением минимума реактивной (индуктивной) составляющей, поэтому с этой стороны каких-то нюансов ждать не приходится и остается лишь определиться с номинальным сопротивление цепи замыкания. Первая мысль, которая возникает по этому поводу - сделать сопротивление минимально возможным (1-5 мОм), что исключит какие-либо сомнения в срабатывании защиты. Современные блоки питания способны выдавать до 1.5 кВт в номинальном режиме работы и что будет при перегрузке - не хочется даже думать. Сверхнизкое сопротивление цепи замыкания гарантирует, что перегрузка по току (мощности) обязательно наступит. Но будет ли корректным данное испытание? Увы, нет.
Чем меньше сопротивление цепи замыкания, тем выше ток перегрузки, что означает «легкость» определения схемой защиты и ускоренное отключение БП. В идеале, ток короткого замыкания должен лишь в 2-4 раза превышать номинальный режим работы БП по данному выходу. Тестовый стенд обслуживает блоки питания разной мощности, от 200 Вт до 1.5 кВт, с различным балансом тока по выходам 5В и 12В, что означает весьма протяженный список постоянных резисторов с повышенной пиковой мощностью и массу ключей.
Можно попробовать изготовить активный регулятор тока, вот только условия его работы совсем не простые - время стабилизации не дольше 0.1 мс; точность поддержания тока не хуже 10% при диапазоне 50-300 ампер; рабочее напряжение 12 ... 1 В. Особенно неприятен последний пункт - 300 ампер при напряжении 1 вольт означает применение резистивного датчика тока номиналом не выше 2 мОм и секции транзисторов с рабочей мощностью 2-3 кВт. Задача выполнимая, но непростая. К тому же, при неудачно выставленном токе короткого замыкания блок питания может не отключиться и дорогая игрушка за доли секунды превратиться в сплавленный комок проводов. Не стоит безумно усложнять стенд, потеряется надежность.
В первой редакции теста будет применяться простая конструкция – резистор и ключ. Резистор является расходным материалом и при эксцессе его нетрудно заменить, а ключ можно сразу выбрать с должным запасом по величине тока и это обеспечит некоторую надежность его функционирования. Остается определиться с номиналом резистора. В EPS не содержится каких-либо полезных указаний по данному вопросу, помощь приходит от старательно подзабытых рекомендаций ATX - в его тексте фигурирует число 0.1 Ом. Эта цифра возможно была оптимальной на тот момент времени, но современные БП такое замыкание «едят на завтрак», 12 В 120 А – это номинальный режим работы для блока питания 1.5 кВт, я уж умолчу про цепь 5В, где 50 ампер будет лишь на 67% выше обычного номинального тока 30 А.
Придется проявить здравый смысл и выработать величину сопротивления из современных реалий. Ранее озвучивалась цифра 26 мОм, но это величина была получена от применения удлинителя, которые используются не столь часто. Если не короткое замыкание проводов, то перегрузку такого типа вызывает сгорание ключа в преобразователе. Для подобного случая есть чуть больше конкретики, сопротивление ключей находится в диапазоне 5-20 мОм. Чаще всего сгорает только один транзистор, причем полного включенного сопротивления обычно не происходит, транзистор «сплавляется» в резистор с сопротивлением в 1-5 раз больше номинальной величины включенного состояния.
Дело в том, что любой транзистор средней-большой мощности не является монолитным элементом и состоит из множества повторяющихся маломощных структур. «Сгорание» транзистора происходит из-за физического разрушения (сплавления) нескольких структур. Чем больше элементов в транзисторе сплавилось, тем ниже сопротивление. Физическое соединение цепей «сток» и «исток» происходит крайне редко и, в основном, в сетевых источниках – для прожигания кремниевой пластины требуется очень большая энергия, которую затруднительно получить от низковольтного источника. Если вредить специально, то можно добиться чего угодно, но в грамотно спроектированных схемах наблюдаются подобные закономерности. Итак, 0.1 Ом гарантированно много, 50 мОм уже лучше, но тоже может привести к провалу. Еще пополам?
В результате медитации и обследования потолка были выбраны следующие номинальные величины:
- 12 В, 30 мОм;
- 5 В, 20 мОм.
Для снижения частоты ремонта стенда, схема испытания на короткое замыкание дополнена аппаратным таймером, размыкающим ключ через 100 мс.
Переходим от частного к общему. Основная плата выглядит следующим образом:
Основные составные части:
1. Радиатор с регулирующим транзистором нагрузки 3.3 В;
2. Блок управления устройством;
3. Прецизионные датчики тока и схема управления нагрузкой 3.3 В;
4. Служебный источник 12 В для питания реле и схемы управления;
5. Разъем подключения кабелей 12 В питания процессора;
6. Оригинальный разъем питания материнской платы, изначально присутствовал на плате;
7. Два разъема подключения кабелей питания периферии (выводы взаимно соединены);
8. Первый разъем подключения кабелей питания PCI Express;
9. Второй разъем ...
На картинке отмечены основные элементы, пропущенным оказался лишь модуль «короткого замыкания», его плохо видно сверху.
На печатной плате установлено несколько транзисторов, которые соединяются шлейфами к контрольным цепям. В данной схеме соединения проблемным может оказаться лишь цепь «земли» – в результате огромного тока возможно появление импульса закрывания транзисторов или нарушение работы микросхемы управления транзисторами.
Для снижения паразитного сопротивления и индуктивности цепь земли выполнена широкой медной лентой, соединяющейся с двумя винтовыми креплениями с корпусом и цепями «земля» разъема 12В процессора и 5В периферии. В результате импульсный ток замыкания в значительной мере течет только по замыкаемым цепям без значительного затекания в общую «землю».
Общий вид тестового стенда в сборе:
Тестируемый блок питания ставится на «законное» место вверху корпуса.
Работа над системой измерения уровня шума не завершена, поэтому в корпусе не закрыта перфорация под вентилятор под блоком питания и отсутствуют лампы прогрева пространства тестового блока.
Продолжение следует…
реклама
Страницы материала
Теги
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила